⚫ Cómo los agujeros negros podrían revelar la invisible materia oscura
La clave de este enfoque reside en el estudio de las ondas gravitacionales (explicaciones al final del artículo), esas minúsculas ondulaciones de la estructura del espacio que se propagan a la velocidad de la luz. Cuando un pequeño agujero negro orbita alrededor de un monstruo mucho más masivo situado en el corazón de una galaxia, emite una señal continua de estas ondas durante miles de años antes de fusionarse finalmente. Esta lenta evolución constituye una firma única que los futuros instrumentos podrían capturar con una precisión sin precedentes.
Esquematización de ondas gravitacionales generadas por dos agujeros negros en órbita cercana uno alrededor del otro, poco antes de su colisión (más precisamente, coalescencia).
El equipo del Instituto de Física de la Universidad de Ámsterdam ha desarrollado un modelo matemático completo basado en la teoría de la relatividad general de Einstein. Este modelo permite describir con gran exactitud cómo un pequeño objeto compacto interactúa con su entorno inmediato al caer hacia un agujero negro supermasivo. Se trata de un avance notable, ya que los trabajos anteriores solían utilizar aproximaciones para simular estas interacciones.
Este marco teórico es particularmente útil para estudiar las regiones densas de materia oscura (ver más abajo) que podrían formarse alrededor de los agujeros negros centrales, a menudo llamadas "picos". Al integrar esta nueva descripción relativista en modelos de predicción de ondas, los físicos muestran cómo estas estructuras dejarían una huella medible en las señales. El observatorio espacial LISA de la Agencia Espacial Europea, cuyo lanzamiento está previsto para 2035, está diseñado para registrar estas señales durante meses o años, siguiendo así cientos de miles de ciclos orbitales.
La capacidad de modelar con precisión estas ondas gravitacionales abre el camino a una cartografía indirecta de la materia oscura. Analizando las mínimas modificaciones de la señal causadas por la presencia de esta materia invisible, los científicos podrían determinar cómo está distribuida alrededor de los agujeros negros. Este método ofrece así una nueva ventana de observación para comprender la naturaleza fundamental de este componente enigmático del Universo, sin necesidad de verlo directamente.
Cuando dos agujeros negros orbitan uno alrededor del otro y se fusionan, emiten ondas gravitacionales detectables en la Tierra. Al estudiar la forma precisa de estas ondas, los científicos podrían sondear el entorno de los agujeros negros y comprender mejor la materia oscura.
Crédito: ESA
Los resultados de esta investigación, publicados en Physical Review Letters, representan un paso importante hacia el uso de las ondas gravitacionales como sonda cósmica. Preparan el terreno para la era de los grandes observatorios espaciales, donde la escucha de los murmullos del espacio-tiempo podría enseñarnos mucho sobre la composición invisible de nuestro cosmos.
Las ondas gravitacionales, mensajeras del espacio-tiempo
Las ondas gravitacionales son deformaciones de la estructura misma del espacio y el tiempo que se propagan en el Universo a la velocidad de la luz. Son producidas por eventos cataclísmicos que involucran enormes masas en movimiento acelerado, como la fusión de dos agujeros negros o la explosión de estrellas. Estas ondulaciones, predichas por Albert Einstein en 1916, fueron detectadas por primera vez directamente en 2015 por los observatorios LIGO y Virgo, confirmando así un aspecto fundamental de la física moderna.
Estas ondas son extremadamente débiles, porque el espacio-tiempo es una trama muy rígida. Para medirlas, los científicos utilizan interferómetros láser de varios kilómetros de largo capaces de detectar variaciones de distancia inferiores a una milmillonésima parte del tamaño de un átomo. Cada onda gravitacional lleva una firma única que informa sobre la naturaleza de los objetos que la emitieron, como su masa, su distancia y la manera en que giraban uno alrededor del otro antes de fusionarse.
El estudio de estas señales constituye una nueva astronomía, completamente diferente de la observación de la luz. Permite explorar fenómenos que permanecen invisibles con los telescopios clásicos, como los agujeros negros aislados o ciertos eventos que ocurren en regiones oscurecidas por el polvo. Al escuchar estas vibraciones cósmicas, los investigadores abren una ventana sin precedentes sobre los aspectos más energéticos e intrigantes de nuestro Universo.
La materia oscura, lo invisible que estructura el cosmos
La materia oscura es una forma de materia que no emite ni absorbe luz, lo que la hace completamente invisible para los telescopios tradicionales. Su existencia se deduce indirectamente de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, como la rotación de las galaxias o la deformación de la luz de objetos distantes. Las observaciones actuales indican que constituye aproximadamente el 85% de toda la materia presente en el Universo, formando una vasta red cósmica sobre la cual se construyen las galaxias.
A pesar de su abundancia, la naturaleza fundamental de la materia oscura sigue siendo una de las grandes preguntas pendientes en astrofísica y física de partículas. Las teorías principales proponen que podría estar compuesta de partículas exóticas que interactúan muy débilmente con la materia ordinaria. Su presencia es esencial para explicar cómo se formaron las estructuras a gran escala después del Big Bang.
Las investigaciones a menudo se concentran en las regiones donde la materia oscura podría estar más concentrada, como alrededor de los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. Estas acumulaciones, a veces llamadas "picos", podrían influir en el movimiento de las estrellas y otros objetos cercanos. Al utilizar fenómenos gravitacionales como las ondas gravitacionales para sondear estos entornos, los científicos esperan finalmente descifrar el enigma de este componente oculto que da forma a nuestro Universo.